JP3692606B2

JP3692606B2 - 空燃比センサー

Info

Publication number: JP3692606B2
Application number: JP09605096A
Authority: JP
Inventors: 豊二宮; 成春牧野; 利美宮本; 孝司塩澤; 勲渡部
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1996-03-25
Filing date: 1996-03-25
Publication date: 2005-09-07
Anticipated expiration: 2016-03-25
Also published as: JPH09257744A

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は，自動車内燃機関などの排気ガスの空燃比状態を検出する空燃比センサーの構造に関するものであり，特に排気管中に存在する凝縮水の進入による不具合を抑制するセンサー構造に関する。
【０００２】
【従来技術】
内燃機関の空燃比の調節は，省エネルギー（省燃料）及び排ガス浄化のために極めて重要である。そして，空燃比を検出するセンサとして，酸素イオン導電性を有する固体電解質に一対以上の電極とガス拡散抵抗層を付加した電気化学的セルが多く用いられている。
そして，排気ガスの温度が低いアイドリング時や始動時においても，安定した出力が得られるように，通常上記酸素検知素子の内側には電極部に対向してヒータユニットが配置されている。
【０００３】
即ち，例えば図８に示すように，上記空燃比センサー９０は，電気化学的セルを形成する有底筒状の酸素検知素子９１と，酸素検知素子９１を収容する容器９２とを有している。
容器９２は，酸素検知素子９１を保持する胴部９３を有しており，胴部９３の略中央部には，センサ本体を排気通路に装着するためのフランジ９３１が形成されている。そして，フランジ９３１から先の部分は先端側を下方等に向けて排気通路に挿入されて装着される。また，酸素検知素子９１は，タルク９３２を介設させて，胴部９３に固定されている。
【０００４】
更に，酸素検知素子９１の内側には，通常ヒータユニット９６が挿入されており，ヒータユニット９６はホルダ９６１を介して酸素検知素子９１に支持されている。酸素検知素子９１は，ヒータユニット９６によって熱せられ，作動時における温度分布は先端寄りの部位で最も高温になっている。そして，酸素検知素子９１は有底筒状の固体電解質と，出力取り出し用の図示しない電極とを有している。
【０００５】
上記固体電解質の胴体の表面と内側とに配置される上記電極は，酸素検知素子９１の軸心の周りを周回するように形成され，かつ上記温度分布において温度が最も高くなる位置の近傍に配置されている。そして，酸素検知素子９１の電極は，出力取出線９７と接続されており，ヒータユニット９６は，給電線９７２に接続されている。
【０００６】
一方，胴部９３の下方（先端側）には排気通路に挿入される内側と外側との一対の素子カバー９４１，９４２を有し，胴部９３の上方の基端部側には大気と接するカバー部材９５１〜９５３を有している。
そして，それぞれの素子カバー９４１，９４２の側面には排気を導入する開口部９４３，９４４が設けられ，カバー部材９５２，９５３には大気を導入する大気口９５４，９５５が設けられている。また，カバー部材９５２，９５３の間の前記大気口９５４，９５５により大気導入通路となる途上には，はっ水性の通気フィルター９５６が設けられている。
【０００７】
上記素子カバー９４１，９４２の側面開口部９４３，９４４は，センサーの応答速度を速めるために，酸素検知素子９１の周囲（接ガス部）に被測定ガスである排気ガスを迅速に導入するように形成されなければならない。しかしながら，一方では排気ガス中の異物や排気通路に存在する凝縮水等（以下，単に凝縮水という）が，酸素検知素子９１に付着するのを抑制するように形成されなければならない。
【０００８】
即ち，図７に示すように，空燃比センサー９０は，先端側を下にして排気管８５の様々の位置に取り付けられる。そして，近年では酸素検知素子９１が高温の排気ガスに曝されないようにするため，または触媒浄化装置の下流側排気ガス中の酸素濃度を検知する等の目的のために，空燃比センサー９０は内燃機関の出口のエキゾーストマニホールドではなく下流側の排気管８５に配置される傾向がある。ところが，下流側の排気管８５の内側の主に底面には凝縮水８６が滞留し易く，そのため，これがエンジンの始動時などに排気ガスの流れと共に飛散し，前記開口部９４３，９４４から空燃比センサー９０の内部に進入するおそれが高くなっている。
【０００９】
そして，上記凝縮水８６が酸素検知素子９１に付着すると，検出特性を変化させるばかりでなく，高温の素子に低温の凝縮水が付着した場合に生ずる熱応力のために素子が割れるという不具合を生ずることがある。特に酸素検知素子の高温部（電極近傍）に凝縮水が付着すると熱応力が大きくなるから，この近傍への凝縮水の付着を回避することが望ましい。そのため，例えば，上記開口部９４３，９４４は，センサー内部での排気の流通路を長くし凝縮水が酸素検知素子まで達しないようにするよう，流路が曲がりくねった迷路状となるように互い違いに配置される。また，素子カバー９４１，９４２を複数設けて多重にするのも同じ目的の為である。
【００１０】
また同様の目的のために，例えば，素子カバーを内側に切り起こして開口部を形成し，酸素検知素子の軸心に略垂直な方向から開口部に流入した排気ガスを上記軸心を周回する円の接線方向に変向させる構造が提案されている（特開昭５６−１６８１５４号公報参照）。同様に，実開昭６０−５９９６１号公報及び特開平２−１２９８６２号公報には，開口部に排気ガスの方向を変更する部材を設けて軸心に略垂直な方向から開口部に流入した排気ガスを上記軸心を周回する円の接線方向に変向させる構造が提案されている。
【００１１】
【解決しようとする課題】
しかしながら，上記のような凝縮水の進入防止対策を講じているにもかかわらず，酸素検知素子に対する凝縮水付着の抑制は未だ不十分であり，時に素子が割れるという不具合が生じている。
本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてなされたものてあり，センサーの応答特性を良好に保持しつつ凝縮水の内部進入及び素子割れを効果的に抑制することの出来る空燃比センサーを提供しようとするものである。
【００１２】
【課題の解決手段】
本願の請求項１の発明にかかる空燃比センサーでは，外カバーの側面開口部に，排気ガスの進路の方向を酸素検知素子の軸心に垂直寄りの方向から軸心に平行寄りの方向に変向させるルーバー（よろい戸構造の部材）が配設されており，一方，先端開口部は上記外カバーの側面部と隣接する内側の素子カバーの側面部との間の位置に設けられている。
上記ルーバーは，例えば，請求項２記載のように，側面開口部から進入する排気ガスが酸素検知素子の軸心の方向に向かって進入するのを妨げる遮蔽部材を設けることにより，実現することができる。
【００１３】
上記請求項１または請求項２の発明にかかる空燃比センサーでは，外カバーの側面開口部から空燃比センサーに進入した排気ガスは，隣接する素子カバーとの間の空間を酸素検知素子の軸心と平行に上下方向に向かって進むことになる（図２の矢印参照）。そして，上記外カバーの先端部の隣接する素子カバーの側面との間には，先端開口部が形成されている。その結果，上記のように軸心と平行方向に進み且つ比重が重い凝縮水は，上記先端開口部を通して外部に排出され易くなる。
それ故，請求項１または請求項２の発明の空燃比センサーは，排気ガス中の凝縮水の素子への進入を抑制し，凝縮水の付着による素子割れ等の不具合いを防止することができる。
【００１４】
また，請求項３記載のように，最も外側に位置する表面外カバーの側面開口部は，排気管に装着した場合において排気ガスの流速が相対的に大きくなる先端寄りに設けることが好ましい。排気管内の排気ガスの流速の分布は，管壁から管路の中心部に向かうにつれて大きくなるから，上記側面開口部は排気管路の中心部ないしその近傍に位置することが排気ガスを取り入れる効果が大きい。そして，管路に装着した場合に排気管路の中心部ないしその近傍に位置するのは，素子カバーの先端寄りの部分となるから，効率的に排気ガスを取り入れることができる。その結果，センサーの応答性を良好にすることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
実施形態例１
本例は，図１〜図３に示すように，固体電解質からなる被測定ガスとの接ガス部１１を備えた酸素検知素子１０と，酸素検知素子１０を保持する容器４０と，接ガス部１１の先端側を覆い排気ガスを導入する開口部３１〜３３を備えた素子カバー２１，２２とを有する空燃比センサー１である。素子カバー２１，２２は，接ガス部１１に近い内側に位置する内カバー２２と内カバー２２の外側に位置する外カバー２１とを有している。
【００１６】
図２に示すように，外カバー２１の側面２１１と先端部にはそれぞれ側面開口部３１と先端開口部３２とが設けられている。側面開口部３１は，排気ガスの進路の方向を酸素検知素子１０の軸心Ｃに垂直寄りの方向から軸心Ｃに平行寄りの方向に変向させるルーバー３５を有している。そして，このルーバー３５は，軸心Ｃ側に設けらた遮蔽部３５１と連結部３５２とからなり，連結部３５２にによって外カバー２１に支持されている。即ち，側面開口部３１は，外カバー２１の側面２１１に穿設した開口３４と，図３に示すように外カバー２１の側面２１１から内側（軸心Ｃ側）に向けてコの字型に突設させたルーバー３５とからなり，ルーバー３５は，軸心Ｃの周りを周回する円周に沿った方向には閉塞し，軸心Ｃに平行な上下方向には開放されている。
【００１７】
そのため，排気ガス８９は，図２の矢印に示すように，垂直寄りの方向から軸心Ｃに平行寄りの方向に方向を変える。そして，外カバー２１の先端開口部３２は外カバー２１の側面２１１と隣接する内カバー２２の側面２２１との中間に位置する先端部に設けられている。
また，内カバー２２の側面２２１には，上記ルーバー３５の裏側の位置に側面開口部３３が形成されている。
そして，外カバー２１の側面開口部３１は，図７に示したように，排気管８５に装着した場合において排気ガスの流速が相対的に大きくなる先端寄りに設けられている。
【００１８】
以下，それぞれについて説明を補足する。
本例は，自動車エンジンの空燃比を検知する空燃比センサー１である。
図１に示すように，容器４０の胴部４１は，排気通路に設けたネジ穴に螺合するネジ部４１４と，排気通路に当接するフランジ部４１５とを有している。また，基端部側に位置するカバー部材４４２，４４３には，酸素検知素子１０に大気を導入する大気取入口４４４，４４５が設けられている。また，前記大気取入口４４４，と４４５により大気導入通路となる途上には，はっ水性の通気フィルター４４６が設けられている。
【００１９】
酸素検知素子１０は，タルク４１６を介設させて胴部４１に保持されている。図１において，符号４６２はガスケット，符号４６３は金属性リング，符号１６１は出力取出線である。
また，酸素検知素子１０の内側にはヒータユニット２０が挿入されており，ヒータユニット２０は，ホルダ４７を介して酸素検知素子１０に支持されている。
【００２０】
そして，ヒータユニット２０には，図示しない発熱電線が付設してあり，該発熱電線は，図示しない給電線に接続されている。
出力取出線１６１及び上記給電線は，ブッシュを介してカバー部材４４２，４４３により固定されている。また，大気取入口４４４，４４５から取入れた大気を酸素検知素子１０の内側に導く図示しない大気通路が設けられている。
【００２１】
次に本例の空燃比センサー１の作用効果について述べる。
本例の空燃比センサー１では，図２に示すように，外カバー２１の側面開口部３１から空燃比センサー１に進入した排気ガス８９は矢印で示すように，外カバー２１の側面２１１と隣接する内カバー２２の側面２２１との間の空間を酸素検知素子１０の軸心Ｃと平行方向に上下方向に向かって進むことになる。
【００２２】
そして，外カバー２１の先端部の隣接する内カバー２２の側面２２１との間には，先端開口部３２が形成されている。その結果，排気ガス８９に含まれる比重の重い凝縮水は，先端開口部３２から外部に排出され易くなる。
それ故，本例の空燃比センサー１は，排気ガス８９中の凝縮水の素子１０への進入を抑制し，凝縮水の付着による素子割れ等の不具合いを防止することができる。
【００２３】
また，外カバー２１の側面開口部３１は，排気管に装着した場合において排気ガスの流速が相対的に大きくなる先端寄りに設けられている。従って，排気ガス８９を接ガス部１１に取り入れ易くなり，検出の応答性が良好になる。
【００２４】
実施形態例２
本例は，図４に示すように，実施形態例１において，外カバー２３の先端面を開放して無底形状としたもう１つの実施形態例である。それ故，本例の先端開口部３２０は，リング（円帯）形状を有している。
その他については，実施形態例１と同様であり同様の効果を奏することができる。
【００２５】
比較例１
本例は、図５に示すように、実施形態例２において、外カバー２４の側面２４１の先端部を狭めて先端開口部３２０の円帯の幅を狭くした比較例である。このような構造とすることにより、先端開口部３２０を通って外側から入って来る流れを生じにくくし、先端開口部３２０から出る流れを生じ易くすることができる。
【００２６】
実施形態例３
本例は、図６に示すように、実施形態例１において、外カバー２５のルーバー３６の先端側を軸心Ｃ側に傾斜させ、側面開口部３７から進入する排気ガス８９の流れを軸心Ｃに平行でカバー先端方向へ流れる流れがより強くなるようにしたもう一つの実施形態例てある。
その他については、実施形態例１と同様である。
なお、上記構造のルーバー３６は、前記実施形態例２においても同様に適用することができる。
【００２７】
なお，上記各実施形態例において，更に，内カバー２２の先端面にも先端開口部を設けるようにしてもよい。但しこのとき，実施形態例１，４の場合には，上記先端開口部は外カバーも含めて２重に挿通するものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１の空燃比センサーの断面図。
【図２】図１の素子カバーから先の先端部の拡大図。
【図３】図１のＡ−Ａ矢視線断面図。
【図４】実施形態例２の空燃比センサーの素子カバーから先の先端部の拡大断面図。
【図５】比較例１の空燃比センサーの素子カバーから先の先端部の拡大断面図。
【図６】実施形態例３の空燃比センサーの素子カバーから先の先端部の拡大断面図。
【図７】空燃比センサーの排気管内への配置態様と凝縮水の飛散する様子を模式的に示した図。
【図８】従来の空燃比センサーの断面図。
【符号の説明】
１．．．空燃比センサー、
１０．．．酸素検知素子、
１１．．．接ガス部、
２１、２３、２４、２５、．．．外カバー、
２２、．．．内カバー、
３１、３３、３７．．．側面開口部、
３２、３２０．．．外カバー、
３５、３６．．．ルーバー、
４１．．．胴部、

Claims

固体電解質からなる被測定ガスとの接ガス部を備えた酸素検知素子と、この酸素検知素子を保持する容器と、上記接ガス部の先端側を覆い排気ガスを導入する開口部を備えた素子カバーとを有する空燃比センサーであって、上記素子カバーは、上記接ガス部に近い内側に位置する内カバーとこの内カバーの外側に位置する外カバーとを有しており、
上記外カバーの側面と先端部にはそれぞれ側面開口部と先端開口部とが設けられており、上記外カバーの側面開口部の内側には、排気ガスの進路の方向を酸素検知素子の軸心に対し平行寄りの方向に変向させるルーバーが配設されており、
上記先端開口部は、上記外カバーの側面部と隣接する上記内カバーの側面部との間の位置に設けられており、かつ、上記先端開口部の少なくとも一部は、その径方向位置が、上記ルーバーよりも上記外カバーの側面部に近くなっていることを特徴とする空燃比センサー。
固体電解質からなる被測定ガスとの接ガス部を備えた酸素検知素子と、この酸素検知素子を保持する容器と、上記接ガス部の先端側を覆い排気ガスを導入する開口部を備えた素子カバーとを有する空燃比センサーであって、上記素子カバーは、上記接ガス部に近い内側に位置する内カバーとこの内カバーの外側に位置する外カバーとを有しており、
上記外カバーの側面と先端部にはそれぞれ側面開口部と先端開口部とが設けられており、上記先端開口部は上記外カバーの側面部と隣接する上記内カバーの側面部との中間の位置に設けられ、
上記外カバーの側面開口部の内側には、この側面開口部から進入する排気ガスが酸素検知素子の軸心の方向に向かって進入するのを妨げる遮蔽部材を備えたルーバーが配設されており、
該ルーバーは、上記外カバーによって支持されており、かつ、上記ルーバーの少なくとも一部は、その径方向位置が、上記先端開口部における径方向最も外周側の位置よりも上記内カバーの側面部に近くなっていることを特徴とする空燃比センサー。
請求項１または請求項２において、前記表面外カバーの側面開口部は、本体を排気管に装着した場合において排気ガスの流速が相対的に大きくなる先端寄りの位置に設けられていることを特徴とする空燃比センサー。
請求項１〜３のいずれか１項において、前記内カバーは、上記ルーバーに対面して側面開口部を有することを特徴とする空燃比センサー。